海洋环境下碳纤维增强复合材料片材的耐久性

碳纤维增强复台材料(CFRP)是由连续增强碳纤维和树脂基体组成的复合材料，与传统加固材料相比，CFRP具有抗拉强度高、自重轻、施工方便等优点，故在混凝土加固领域中的应用日益广泛，相比CFRP加固混凝土结构的力学性能研究，其耐久性方面的研究却有限。但在实际工程中，外界环境对其长期力学性能影响很大，因而其耐久性问题不可忽视．

　　混凝土结构所处的环境一般为大气环境、海洋环境等。因我国海岸线很长，大规模的基础建设集中于沿海地区，CFRP片材在这类环境结构中的运用日渐增多，故本文针对海洋环埔(盐水浸渍、盐溶液干湿循环、冻融循环单独及耦合作用)下CFRP片材的耐久性进行了试验研究。

1　试验

1.1　材料

　　采用台湾巨瀚科技股份有限公司的UCP—200 g CFRP布和GEL600树脂，它们的性能分别见表1，2。参照《定向纤维增强塑料拉伸性能实验方法》(GB／T 3354—1999)规定，CFRP片材试件制作完成后在室温下养护1周，然后再进行不同条件下的快速老化试验，每组试件不少于3个。
   
    

1.2　快速老化试验

　　以盐渍老化(SW)模拟海水浸泡情况，采用10％(质量分数，下同)NaCl溶液加速试件腐蚀。

　　冻融循环(FT)试验参照GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。试件中心温度分别控制在(-17±2)℃和(8±2)℃，每次冻融循环时间为3 h，其中冻2 h，融1 h。

　　以盐溶液干湿循环(DW)模拟海水环境中的潮汐作用，采用10％Nacl溶液加速试件腐蚀，将试件在10％NaCl溶液中浸泡2 h，取出后放在室温下干燥4 h，此即为一个干湿循环。

　　多因素耦台快速老化试验有2种——冻融循环和盐渍老化耦合试验(FTSW)、冻融循环和干湿循环耦合试验(FTDW)，其中冻融循环的温度和时间同上。

       1.3　力学性能试验

　　在试件中心处按照标准方法粘贴应变片(型号为BQ120(6.4 mm x 3.5 mm))，然后在拉伸试验机上进行拉伸试验，测试内容包括CFRP试件破坏荷载、拉伸变形量、应变等，前2种试验数据由计算机数据采集系统自动采集，应变则通过应变片由应变仪采集。

2　试验结果与分析

2.1　试验结果

　　CFRP片材试件的破坏方式主要有3种。第1种是翘曲破坏，即在试件表面褶皱处发生整体断裂脆性破坏，这种破坏的试件其各种力学性能都很低，属于失败试件，所占的比例极少，产生的原因是因为涂抹的试件在固化过程中没有放平，固化后形成翘曲，使试件褶皱处纤维处于拉剪复合受力状态，从而发生脆性破坏，第2种是劈裂断裂破坏，这种破坏通常先是局部丝断裂，接着周围的粘结胶体劈裂，随后其他的丝断裂，断裂的程度较大，试件破坏后CFRP片材断成很多小段，没有明显的破坏面，其破坏形态见图1(a)。第3种是整体断裂破坏，即在试件中部或中部附近(如中上部或中下部)发生破坏，破坏面比较明显、平整，其破坏形态见图1(b)。

　　CFRP片材的力学性能见图2和表3(表中数据为剔出无效值后的平均值；编码中字母含义见2.2节，数字表示时间或循环次数．如SW30表示盐渍老化30 h，DW5表示干湿循环5次，等等)。由图2可见，不论是否经过海洋环境老化试验，CFRP片材的应力-应变关系都呈典型的线性关系。
        
       2.2　盐渍老化试验结果分析

　　经过盐渍老化后，CFRP片材表而粘附着许多粉末状颗粒(Nacl结晶)，可见到盐水侵蚀痕迹。

　　从表3可看出：盐渍老化后，CFRP片材的三大力学性能都有所降低，其中抗拉强度下降幅度最大。延伸率和弹性模量的下降幅度较小；随老化时间的延长，三大力学性能变化的总趋势均为有所下降，但下降的速度及波动的幅度有所减缓。
       2.3　冻融循环试验结果分析

　　经过冻融循环后的CFRP片材的外观无明显变化

　　由表3可见：冻融循环对CFRP片材抗拉强度的影响最大，对延伸率的影响次之，对弹性模量的影响最小；经过冻融循环后，CFRP片材的力学性能均有所降低，抗拉强度随冻融循环次教的增加而下降，下降速度先慢后快，最后趋于稳定。延伸率的变化有波动，但总趋势是随冻融循环次数的增加而下降弹性模量的变化比较平缓，下降的幅度最小，平均约为7％。

       2.4　干湿循环试验结果分析

　　经干湿循环后，CFRP片材表面粘附了一些粉末状Nacl结晶，可观测到盐水侵蚀的痕迹。
　　由表3可见：经过干湿循环后的CFRP片材的三大力学性能都有所降低；干湿循环对CFRP片材抗拉强度的影响最大，对延伸率的影响次之，对弹性模量的影响最小。

       2.5　多因素耦合作用结果分析

　　由表3可见，多因素耦合作用对CFRP片材力学性能的影响很大，其中抗拉强度和延伸率降低的幅度远高于盐渍老化、干湿循环、冻融循环单独作用的情况，而弹性模量的下降则不明显。

　　多因素耦合作用的结果并不是各因素单独作用结果的简单叠加，而是各因素相互影响的结果。但是经过各因素耦合作用后，CFRP的应力-应变关系基本呈线性关系(见图2)。

　　冻融循环50次和盐渍老化150 h后，CFRP片材(FT50SW150试件)抗拉强度和延伸率的下降幅度很大，分别为45.48％和40.11％，说明CFRP片材的抗拉强度大幅度降低，且脆性大幅度提高，冻融循环50次和干湿循环25次后，CFRP片材(FT50DW25试件)抗拉强度和延伸率下降幅度分别为25.75％和33.42％，即其抗拉强度大幅度降低，而脆性却大大提高．

　　CFRP是一种由增强材料和树脂基体构成的复合材料，其耐久性除受诸多环境因素的影响外，还取决于材料自身的组成与结构，本次试验所得的定性结论与文献等结论相似，但定量结果有一定差别，究其原因是因为CFRP所用的增强材料和树脂基体的性能及二者的结合方式不同所致。

3　结论
       1.除个别失败试件外．正常的CFRP片材的受拉破坏方式主要为劈裂断裂破坏和整体断裂破坏，且应力应变关系均呈典型的线性关系。

　　2.盐渍老化对CFRP片材抗拉强度的影响最大，对延伸率和弹性模量的影响较小，冻融循环和干湿循环对CFRP片材抗拉强度的影响最大，对延伸率的影响次之，对弹性模量的影响最小，对CFRP片材抗拉强度影响最大的是冻融循环和干湿循环，对延伸率影响最大的是冻融循环，而弹性模量受3种因素影响的差别不大，多因素耦合作用对CFRP片材抗拉强度和延伸率的影响很大，降低的幅度远高于几种因素单独作用的情况，但并不是这几种因素单独作用结果的简单叠加。

　　3.在海洋工程应用中，必须考虑CFRP片材的耐久性，尤其应对其抗拉强度进行折减。